Radioactive Decay Simulation: Unlocking the Secrets of Instability

Потік заряджених частинок з Сонця

Сонце постійно випромінює потік заряджених частинок, переважно протонів і електронів, який називається сонячним вітром, а також більш інтенсивні спалахи під час викидів корональної маси. Коли цей плазма досягає Землі, він взаємодіє з планетою, що обертається навколо власного магнітного поля, і саме ця взаємодія – а не прямий удар частинок в атмосферу всюдисущим чином – направляє північне сяйво у його знайомі кільця навколо полюсів замість рівномірного розподілу світла по всьому небу.

Слідування лініями діпольного поля

На перше наближення, магнітне поле Землі має вигляд магнета: лінії сили виходять біля південного магнітного полюса, проходять дугою через простір і повертаються до північного магнітного полюса – це діповіта форма. Заряжену частинку, ув’язнену на одній з таких ліній сили, обертається щільно навколо неї (обертання), одночасно вільно котясь вздовж її довжини, тому її загальний шлях простежує спіраль, що слідує за кривизною лінії сили та природно спрямована до полюса, в який вона йде.

Магнітне дзеркалювання: чому частинки відбиваються замість просто проходження крізь поле

Коли частинка спірається вздовж лінії магнітного поля до полюса, сила поля збільшується, оскільки лінійні елементи біполярного поля збігаються та стискаються поблизу кожного полюса. Магнітний момент зарядженої частинки є адіабатичною інваріантною, тобто залишається приблизно постійним, коли сила поля змінюється повільно вздовж траєкторії частинки. Збереження цього моменту змушує швидкість обертання частинки в перпендикулярному напрямку (гірове) збільшуватися зі зміцненням поля — що, враховуючи збереження загальної кінетичної енергії, має відбуватися за рахунок зменшення її паралельної швидкості (паралельної до лінії). Якщо сила поля достатньо сильна, паралельна швидкість досягає нуля: частинка припиняє рух вперед, змінює напрямок і відбивається назад тим самим шляхом. Це явище магнітного дзеркалювання пояснює, чому радіаційні пояси утримують частинки на тривалий час замість миттєвої втрати в атмосферу — але для частинок аврори їх траєкторії досить круті або достатньо розсіяні взаємодіями хвиль та частинок у хвостовій частині магнітних полів, що змушує їх опускатися нижче точки дзеркалювання та зіштовхуватися з верхнім шаром атмосфери замість відбиття назад.

Колір – це відбиток висоти та елемента

Коли вхідна частинка стикається з атомом або молекулою атмосфери, вона може підняти один із електронів цього атома на вищий енергетичний рівень; потім атом повертається до свого початкового стану, вивільняючи надлишкову енергію у вигляді фотона дуже специфічної довжини хвилі, характерної для цього атома та конкретного переходу. Заборонений зелений лінія кисню при 557,7 нанометрів, що виробляється на висоті від 100 до 200 кілометрів, домінує в більшості видимих опадів північного сяйва. На значно більшій висоті, вище приблизно 200 кілометрів, де повітря тонше і відповідний збуджений стан має час розсіятись перед тим, як буде вибитий частинкою, кисень випромінює глибокий червоний лінійний спектр при 630 нанометрах. Іонізований молекулярний азот сприяє появі блакитних та фіолетових країв, зазвичай видимих по нижньому краю яскравого сяйва, де найенергійніші частинки проникають найглибше.

Чому він овальний, і чому розширюється під час штормів

Аврора концентрується у вигляді кільця – аuroral oval – що розташоване навколо кожного магнітного полю, оскільки лише лінії магнітної індукції в цій широтному діапазоні з’єднуються з областями магнетичної сфери, багатими на частинки, і достатньо сильно нахиляються у атмосферу, щоб доставляти частинки з високою щільністю. Під час геомагнітної бурі магнетична сфера стискається та отримує енергію, що призводить до збільшення кількості частинок та розширення oval у напрямку нижчих широт, що саме пояснює, чому найяскравіші спостереження аuroри відбуваються на незвично низьких широтах зазвичай після сильної сонячної події.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Aurora Borealis Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.